一個被遺忘的視角—
地應力與衛星軌道攝動
汶川地震后，人們開始反思地震預測方法，提出了各種研究方案。然而，正如趙文津院士指出的，這些方案都“沒有考慮‘地應力’這個內容”。（趙文津《從汶川地震失報探討地震預報的科學思路——再論李四光地震預報思想》）
李四光：監測地應力
地下巖層突然發生斷裂，在極短時間內釋放出大量的能量，產生了地面位移和錯動并輻射出地震波，構造地震就是這樣產生的。這叫做地震的斷層成因論。多數地震學專家對此都無異議，差不多已成定論。至于斷層的產生，一般都假設是由于構造運動使地球內部的切應力慢慢積累并在某些地區集中。當積累的應力超過一定的限度時，便產生了斷裂。
可見地應力是地震孕育過程中的重要因素，全面而連續地監測地應力的變化，是探討、檢驗各種理論假說的基礎條件，也是地震預測的基礎條件。邢臺地震后，李四光提出：一要調查研究地下發震層以上地層巖層的力學性質及破裂強度；二是要抓地應力場及其變化，并研究兩者的關系。地質部地質力學研究所在李四光指導下，立即在河北隆堯堯山建立了壓磁地應力觀測站。據國家地震局黃相寧稱：
到1976年唐山地震前后，我國共建立110個地應力觀測站。這些地應力觀測站，大部分是在1971年李四光逝世前所建，其余較多是在1976年唐山地震前后所建。然而到2006年，僅存5站還在進行地應力觀測。（《我所經歷的地應力分析預測地震之發展》地殼構造與地殼應力 2006年2期）。
據廣西地震局勞王樞提供的數據，我國有25個GPS基本站、56個GPS基準站、1000個GPS區域站；但只有70個應力應變觀測臺站。（《關于地震監測預報體系建設的思考》軟科學研究第78期 2007年7月）
可見，李四光主張的地應力監測現在事實上被邊緣化了，代之以用GPS技術監測構造變形。這次汶川地震之所以失報，一個重要的原因是：有關方面對GPS觀測（見圖一）的解讀為：“鮮水河斷裂帶上水平剪切應變大”，而汶川地區“無應力應變積累。”從而放棄了對汶川地區的監測，雖然2007年下半年已出現了一些前兆現象，而且這些前兆異常還在持續發展中，都被放棄監測了！（趙文津《從汶川地震失報探討地震預報的科學思路---再論李四光地震預報思想》）
圖一：青藏高原東部GPS位移速度圖
（摘自趙文津《從汶川地震失報探討地震預報的科學思路
---再論李四光地震預報思想》）
對此趙文津分析道：
“在地球介質極不均勻的情況下，應力與應變關系很復雜，很難從GPS觀測成果直接聯系到應力的大小和方向。汶川地震預報失敗說明利用GPS結果的局限性。再不能繼續沿著這一條思路走下去了！”（同上）
然而，當初人們為什么放棄了李四光的研究思路？一個重要的原因是地殼的“不可入性”。
“淺層具有破壞性的地震都發生在十幾至幾十公里深度的地殼內，可以想象，那些大大小小的斷裂都是經過漫長的地殼運動，當然也包含著若干次地震而生成的，顯然，地殼運動可以產生斷裂，斷裂也可以引發地震。
人們尚無法取得震源區的巖石介質的性質、破裂強度、應力狀態和積累速度，以及其隨時間的區域演化狀態，再者整個地殼都在運動，應力存在于地殼的每一點上，目前尚不能取得一個地區的應力圖像及其隨時間的變化，更無法取得更多地區的應力圖像和變化，以及它們可能破裂發生地震的順序，以及震后應力調整、重新分配的過程與狀態。”
（馬廷著《感受地震預報》）
對如此大范圍、大縱深的地殼。監測其內部應力變化，難度可想而知。具有破壞性的地震都發生在十幾至幾十公里深度的地殼內，而全球最深的鉆井在蘇聯的科拉半島上，深僅12.869公里，鉆了15年多。至于我國，最深的科研鉆井在5-7公里間，汶川地震后正在打的科學鉆井，計劃深度在800m至3000m之間。至于深井的成本，世界第二深井，德國大陸超深鉆井計劃耗資5.28億馬克。顯然，靠鉆井來建立足夠密集和廣泛的地應力監測網，存在難以逾越的障礙。
那出路何在？
逆向思維：“入地”VS“上天”
從系統動力學的視角看，一個現實的動態系統，其狀態變量往往無法直接測量，這時就提出了“可觀測性”問題，即能否通過觀測其它變量，推算出系統的狀態變量。1947年，李四光和Hast提出用地殼構造形變反推構造應力場跡線方向，其實用的就是這一思路。
隨著衛星重力測量技術的發展，人們研究了如何從重力場推算應力場，1982年，黃培華、傅容珊等等計算了殼下地幔流應力場（黃培華、傅容珊《應用衛星重力數據研究全球巖石層下地幔流應力場》中國科大學報，12．12．1982．）
1999年，中國地震局地震研究所向文、李輝發表《重力場與構造應力場內在關系的理論研究》（地殼形變與地震第19卷第1期1999年12月）根據地球動力學原理，提出了重力異常變化量向構造應力場應力降轉化的理論模型。
1994年，中國地質大學游永雄發表《重力場轉換區域構造應力場的研究》（地球物理學報第37卷增刊I）。建立了以重力位水平梯度變量為主要參數的新模式，計算了三維區域構造應力場跡線方向及其等值線圖。并提供了華南、華北東部盆地、東北三地，地殼深部和淺部的應力場圖。
在此基礎上，文中還進一步討論了用低軌道衛星攝動數據計算地殼構造應力場的方法。
1995年，游永雄發表《應力遙感監測地質災害的研究及實驗》（中國地質災害與防治學報 第六卷第四期 1995.12）。文中用氣象衛星NOAA-10軌道攝動數據計算繪制了1989年5月～1990年5月京津唐地區應力降動態圖。作者將其與地面復測網得到的應力降動態圖比較，結論是：
“其應力降動態數量級吻合很好，但動態等值線形態有差異。深入分析可看出，衛星遙感動態圖顯示更細致，內容更豐富，更符合實際情況。”
文中還用同樣的方法監測1989年大同6.1級地震前后唐山市應力降動態，計算繪制了唐山市1/5萬比例尺應力降動態圖。與已有的圖比較，“對應關系良好。”
游永雄的這些工作引起了筆者的關注。面對幅員遼闊而“不可入”的地殼，如果用衛星軌道攝動數據能夠計算繪制其應力場和密度分布圖，就等于提供了連續、大范圍監測地殼深部動態的技術手段。這種監測能力無論對防災減災還是對能源、礦產均有重大價值，對中華民族在這片土地上持續生存，具有不可估量的意義。
據美國關注科學家聯盟組織2007年初公布的世界衛星數據庫顯示，目前環繞地球飛行的共有近800顆各類衛星，其中413顆屬于美國。俄羅斯次之，共有87顆，中國位居世界第三，有34顆（《太空安全知多少》2009年02月24日人民日報）。
衛星不受地形、氣候的影響，以前很難獲得數據的荒漠高山及海洋地區，均可一體監測，而且衛星觀測資料空間分布均勻，觀測結果具有同一性，能迅速成圖，使分析人員能實時應用。
與其它監測方案相比，成本低廉是它極大的優勢，它無需建設監測站網，無需人員值守，也無須設計、發射專用衛星—--任何一顆衛星只要軌道高度在500km—300km間，均可使用。超出這個范圍也行，只是太高精度差，太低干擾大。此外一些國家部分衛星的軌道數據是公開的，如美國極軌氣象衛星NOAA。這使我們能用極低的成本，進行連續而全面的監測。唯一需要的成本是大規模的數值計算，而這一“產能”我們已經擁有，無需大的投入。
費解的寂靜
5.12汶川地震后，筆者尋找與地震預測相關文獻時發現了游永雄的工作。筆者被其巨大的潛力打動，但也對這項工作的可信度存疑。因為筆者不是地球物理學者，沒有相應的專業鑒別能力，筆者希望看到其他同行學者的評價。
然而近一年過去了，在筆者能查到的專業刊物中，未發現哪怕只言片語的相關評價，無論是肯定、否定還是提出修正意見。游永雄的這項工作最早公布于1994年，至今已經15年了，如此的沉寂，令人費解。
或許，游永雄的工作太過專門化，人們難于理解其潛在的價值？或許，反演算法普遍存在難以確定其結果“唯一性”的問題，使人們抱持謹慎的態度？
1998年，游永雄等發表《應力遙感監測滇西北地震前兆場》（中國科學(D輯)第28卷第4期）。以1996年2月3日麗江MS7.0級強震和1995年10月23日武定MS6.5級強震為對象，應用氣象衛星軌道攝動反演地殼區域構造應力降動態場，并繪制地震前、后應力降動態特征（見圖二）。
圖二：衛星監測地震前、后應力降動態圖
(a)1996年麗江，(b)1995年武定
應力降等值線間距為0.1MPa；
圖(a)實線為地震前兆應力降異常動態值,點線為地震后應力降值；
圖(b)實線為地震前兆應力降異常動態值,虛線為地震前兆應力降異常動態負值
文中給出了地震前兆應力降異常波動與發震時間圖（見圖三）；兩個案例均在震前數天發生應力降異常波動。
圖三：地震前兆應力降異常波動發震時間圖
(a)1996年麗江、(b)1995年武定
有報道稱，他用這個方法研究了麗江、武定、盂連、瀾滄、耿馬五個強震前兆，并繪制其地震前、后應力降動態特征圖及其應力降異常波動發震時間圖。獲得6條臨震前兆特征，并估算預測地震三要素的精度指標；震中誤差δ<50km，震級誤差δ<±0.5級，發震時間誤差δt<±7天。
除了地震預測，游永雄還關注這一方法在地下能源探測方面的應用。他主持“八·五”地礦部項目“福建連江地熱勘探”取得成功，于1992年春打出兩口大蘊量3800t/d和4000t/d高壓300Kpa優質的64℃熱水井，并建成閩江口連江溫泉城。
2002年，游永雄等發表《地殼應力場和密度場資料在油氣檢測中的應用》(石油物探第41卷第4期2002年12月)。課題組計算繪制了閩江沿海扇形洲區域構造應力場衛星遙感圖（見圖四）。
圖四：閩江沿海扇形洲區域構造應力場衛星遙感圖(等值距為lOOkPa)
與探測結果對比，圖中在應力相對高值帶內的連江岱云村，地熱井鉆探100m附近以300kPa的3個大氣壓向地表噴出大量天然氣；而應力低值帶（川石至官嶺方向），游永雄等發現川石的石瀝青，官嶺的地瀝青、瀝青脈油苗都在這個構造帶內，石油地質104隊在川石島凝灰巖中發現5處油浸沙巖，鉆探5口探井鉆出瀝青油苗，其中一口鉆在710m段深處發現瀝青油苗，這些油苗跡象也都在這個應力低值帶內。在這個帶內，官嶺與定海灣間海域有大量貝殼群，根深達70～100m，這些生物群是下部藏油的標志之一。
課題組還計算繪制了閩江沿海扇形洲區域油氣儲集層密度場衛星遙感圖（見圖五），其結果與應用地球物理大地電磁CSAMT型系統探測結果相符。
圖五：閩江沿海扇形洲區域油氣儲層密度場衛星遙感圖(等值距為10kg.m-3。)
可見用衛星軌道攝動數據可快速、低成本、大范圍地探查應力、密度分布，這是探查油、氣、可燃冰的重要依據之一。由此，游永雄得出結論：
“據衛星軌道攝動測量結果反演的地殼區域構造應力場和密度場資料，可圈定油氣區域構造圈閉和儲集油氣的低密度層。”
上述兩個案例不但展示了這一技術的潛在價值，也在一定程度上回答了可信度問題——計算繪制的分布場與地震事實和勘測結果高度相關。
或許，人們對這一技術的精度存有疑慮，如此大范圍的監測，采樣精度能否滿足需要？
極軌氣象衛星每天可巡視地球兩圈。游永雄構想：用一組12顆均勻分布的衛星，每天可用24條均勻分布的軌道覆蓋全球，在每條軌道上可每公里一次采樣。目前還沒有任何一種地面技術能得到如此密集的全球采樣。游永雄指出：這樣的衛星組共有60組。而大量的冗余觀測是提高精度的基礎。
尷尬的“接軌”
游永雄很早就在關注構造應力場的動態監測。
1990年中國地球物理學會第六屆學術年會上，他發表了《區域構造應力場的動態監測》。論文在特科特重力場轉換應力場的定性公式的基礎上,推導出重力水平梯度矢量與地殼構造應力場水平分量的關系。據此可推算各地區地殼各層的構造應力場。還推導出存在時緯動態的垂線偏差時直接計算構造應力場的公式。
到如今已經20年過去了，對構造應力場的全面動態監測依然付闕。原因何在？
回顧過去二三十年的科研實踐，能清晰地看到兩個“接軌”：“與國際接軌”、 “與市場接軌”。
當年，李四光強調“（美國和日本）各有各的觀點和作法。我們只能根據我國的實際情況進行摸索，不要先劃框框，要從實際出發。……（對他們的作法）我們雖然不否定它，但也不必重視它。”（轉引自趙文津《從汶川地震失報探討地震預報的科學思路---再論李四光地震預報思想》）
這位曾留學日本、英國、蘇聯，數次赴歐美講學、參加學術會議和考察地質構造的“海歸”學者，顯然立足于實際的國情和國家的戰略需求；顯然有足夠的學術自信；顯然不在意“與國際接軌”。在李四光的領導下，我們的地震學曾經站在世界的前列。
而今，李四光這樣的視野、胸襟和氣度，在我們的學界還剩多少？從理論到工程，從研究選題到成果評價，無不在努力“與國際接軌”。相關傳媒則時不時熱炒諾貝爾獎，人們似乎忘了，諾貝爾不過是一個火藥商人，他在20個國家開設了約100家公司和工廠，靠賣火藥大發其財。1901年設立諾貝爾之時，正是八國聯軍倚仗洋槍洋炮打進北京之際。
人們看到的是，在“與國際接軌”的方向上，能得到巨額的撥款和投入，似乎中國已經不是貧窮的發展中國家，已經象趙本山宣稱的“不差錢”了。
“不差錢”的法國搞了“地球透鏡計劃（GEOSCOPE）”、日本搞了“海神計劃”、美國也開展了為期15年的“地球透鏡計劃”。這些計劃的核心目標不是預測，而是“觀測”，是“為將來預測地震和火山的爆發提供一個堅實的基礎”（《2004年美國地球透鏡計劃進展綜述》中國地震信息網http://www.csi.ac.cn/kjdt/kjdt/182.htm）。
為“與國際接軌”，我們于2001年7月立項展開“中國數字地震觀測網絡工程”，其目的同樣是“觀測”，是“地震速報”。到2008年04月，工程通過驗收，項目總投資22.8億元。（新華網北京2008年4月11日電記者 孫聞）。而游永雄關注的構造應力場的動態監測，難于“與國際接軌”，所以至今難有作為，雖然這個方向所需要的錢遠低于在地面打井布網。
什么時候，中國的學界才能有自己的主見，從自己的實際出發，研究事關中華民族生存的戰略性問題，而不是熱衷于“與國際接軌”，扮演別人的追隨者與打工仔？
“與市場接軌”必然是資本利潤掛帥。而資本擁有者已經證明了他們的短視與貪婪。指望他們從民族長遠戰略出發做出選擇，根本不現實。于是人們看到，只有能立刻換得利潤的“短平快”項目，才能受到資本的青睞，至于構造應力場的動態監測這樣的事，那個資本家會感興趣？
事實上，缺乏國家投入的游永雄的課題組，曾經指望在“八·五”地礦部項目“福建連江地熱勘探”的基礎上建立一個基地，以便持續、深入研究地熱資源和地下油氣資源問題。當初也曾與地方政府達成協議，做出過相關的安排。然而打出熱水后，經過復雜的行政、經濟關系變動，課題組已經無法進入井區，研究被迫中止。
可以想見，一群書生組成的課題組，在行政、經濟、法律事務上，根本不可能是地方實力派的對手。于是申訴多年，了無結果。筆者無意探尋其間的因果是非，讓筆者深思的是：這樣一個事關全局的，具有戰略意義的研究方向上，學者們為何不得不走這樣的途徑來尋求研究環境？“與市場接軌”的科研導向下，事關全局、事關戰略的研究，出路何在？
衛星數據：一個值得關注的方向
需要再次聲明，筆者不是地球物理學者，無意（也無能力）從學術上評價游永雄的成果。在游永雄的工作中，打動筆者的是衛星數據的戰略意義。從地震預測的角度看，連續、實時、大范圍監測地殼深部動態的能力，其意義無論怎樣估計也不過分。而目前監測地表形變的思路已經被汶川地震證明有重大的局限性。
2006年，中國地質大學、中國石油公司石油勘探開發科學研究院西北分院李碧寧、焦養泉、張景廉等發表《松潘一甘孜褶皺帶的深部地殼構造特征及油氣前景》（新疆石油地質第27卷第6期）。文中提供的四川阿壩-簡陽深部地球物理解釋剖面(見圖六)顯示：灌縣（都江堰市）地下深部存在巨大的高密高阻異常區，其西北部的低阻低速層有受其阻擋而抬升態勢。該文判斷：這里存在“深部流體活動”，且推測松潘甘孜地區可能有油氣。
圖六：四川阿壩-簡陽深部地球物理解釋剖面
汶川地震后，張景廉、杜樂天等人發表《汶川大地震與中地殼低速、高導層的成因關系初探》（西北地震學報第30卷第4期），在前文的基礎上指出：
“汶川大地震可能與映秀逆沖斷裂帶有關，而映秀逆沖斷裂帶由于與中地殼低速層相連，這個中地殼低速層是一個巨大的氣體庫，它是重大自然災害(也是地震)的內在孕災體。”
“汶川地區深部應有巨大的天然氣儲庫，如果早些投入勘探開發，由于氣體的開采，就不會有今日的壓力突然巨量釋放，造成今日的地震。”
無獨有偶，中國科學院地質與地球物理研究所藤吉文院士等發表了《2008汶川MS8.0地震發生的深層過程和動力學相應》（地球物理學報第51卷第5期），綜合大地電磁測深、天然地震觀測與反演、人工源地震深部探測、重力場分析等多種手段，指出了汶川地震與青藏高原東北緣深部物質運移的關系（見圖七）。
圖七：下地殼和上地幔蓋層“剛性”物質由深部向上運移的運動軌跡
和汶川MS8.0強烈地震的形成模型
這些學者都注意到了地殼深部物質密度的差異和物質的運移，并認為這是汶川地震的肇因。杜樂天學派還進一步認為，它與地下油氣藏有關。值得注意的是：中科院遙感應用研究所微波遙感研究室主任邵蕓，在“埋頭解譯”震區雷達遙感信息后，也傾向于認同杜樂天的觀點：
“汶川大地震造成的滑坡之多、規模之大、危害之重，史所罕見。如此多的物質運移顯然需要巨大的能量，而僅僅是地震能提供如此多的能量嗎？顯然需要更為深入的研究，才能更合理地解釋發生于地震災區的這些巨型災難性滑坡。”
她了解到，一些科學家到震區實地作了調查，認為這里的氣體起到了很重要的作用，地震中有一定氣體爆破，像氣浪一樣把物質噴發出來。雖然這一觀點受到很多非議，但邵蕓認為是有一定道理的。（王卉《遙感解譯捕捉到異常地震信息，有關專家認為需要更深入研究以給出合理解釋》科學時報2009-5-19）
物質運移必然帶來構造應力場的變化。如果能連續、實時監測地殼深部的構造應力場與密度場，就給地震預測提供了重要的信息，也有助于地下油氣資源的探測。
2009年5月12日，國際地震和地球內部物理學會中國委員會副主席石耀霖院士在“汶川地震學術報告會”上講到，應力分布觀測是地震數值預測的基礎條件。如果游永雄的工作能站住腳，地震數值預測就有了廣闊的發展空間。
其實衛星數據可監測的不只是地應力與密度。
1999年，中國科學院測量與地球物理研究所方劍發表《利用衛星重力資料反演地殼及巖石圈厚度》（地殼形變與地震第19卷第1期）。提出了大尺度界面反演方法，檢驗了利用衛星重力位系數計算得到的重力異常圖，進而計算繪制了全球巖石圈厚度圖。
2003年，方劍、張赤軍發表《中國海及鄰近海域2′×2′海底地形》（武漢大學學報 信息科學版 第28卷特刊）。利用由Seaset、Geosat、ERS-1和Topex/Poseidon衛星測高結果解算的2′×2′重力資料，進行重力場分離,提取與海底地形起伏相關的重力異常,結合全球5′×5′海底地形結果（ETOPO5）進行反演,得到了中國海及鄰域2′×2′高精度、高分辨率的海底地形結果。與船測剖面結果對比,均方差從ETOPO5的96m降至62m。還發現了一條馬尼拉海溝向南西方向延伸的海山鏈。
2007年，中國科學院地質與地球物理研究所王謙身等發表《應用衛星重力異常信息對橫斷山系地區布格重力異常特異分布的糾正》（地球物理學進展第22卷第2期）。對橫斷山系沒有重力測點的地區，作者們用衛星重力異常資料給出“計算布格重力異常”，描繪了該地區地殼厚度的起伏變化，彌補了實測的空白。
2007年，中國科學院測量與地球物理研究所、中國科學院研究生院段建賓等發表《利用重力衛星觀測資料解算中國大陸水儲量變化》（大地測量與地球動力學第27卷第3期）。研究者利用GRACE重力衛星2002年4月--2004年7月共計20個月的時變重力場數據，反演了中國大陸空間大尺度陸地水儲量變化，給出了華東、華中、西北東部、新疆、西藏、西南和華南各地水儲量季節性變化的幅度。
……
用衛星數據監測地表和地下的動態，往往要用到反演算法，而反演算法中“唯一性”問題不可回避。邏輯上有三類方法處理它：或者在算法上追求全局極值、避免陷入局部極值；或者加大采樣密度，以降低不唯一性的概率；或者在反演過程中加入利用其他技術手段得到的信息，以降低結果的不確定性。
對于“不可入”的地球，不可能要求某種手段的結果絕對準確、可靠。只能用多種不同的物理手段，從多個角度推算地下情況，并相互比較、印證，以加深認識。對于中國這樣一個還有眾多人口收入低下的國家，選擇技術手段時，成本/效益分析必不可少。在各種物理手段中，衛星信息提供了全面、實時、連續監測的低成本途徑。而監測地表和地下的動態，對地震、能源、氣象、礦產、國土資源的合理功能定位乃至國防意義重大，值得高度重視。
這里有兩個方向的工作：
其一是對各項探索性的研究做出評估。目前似乎是各方研究人員各自為戰。我們需要有系統的規劃，使相關研究能覆蓋國家戰略需要的各領域；我們需要有相互間的辯駁、切磋，以期明確各種方法的可信度、精度和適用范圍，并在此過程中激發出新的研究思路。
其二是形成對衛星數據連續、實時處理的能力，并建立處理結果的發布機制，使之成為各學科研究工作的基礎素材，成為各業務領域判斷、決策的背景資料。如果沒有這一步工作，前邊的研究就如同狗熊掰棒子，無法轉換成社會效益。
事實表明，在“與國際接軌”和“與市場接軌”的氛圍下，這兩個方面的工作難于實施。在我們現實的科研資源配置機制中，“科研經紀人”、“科研老板”、“項目老板”扮演著核心角色，大量的科研經費經這個環節轉化為利潤，進而轉化為“以錢生錢”的逐利資金，真正的研究人員則淪為打工仔。媒體已經大量披露由此產生的弊端。中國地質學會理事任紀舜院士就直斥其為“二道販子”。在這類長袖善舞之徒的把持下，我們的科研體系何來戰略眼光？
我們是否應該反思一下自己的科研定位與體制？思考一下站在民族持續生存和國家宏觀戰略的立場上，該如何配置我們有限的科研資源？
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